ВСТУП
Датчик - засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки і (або) зберігання, але не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем. Датчики, виконані на основі електронної техніки, називаються електронними датчиками. Окремо взятий датчик може бути призначений для вимірювання (контролю) та перетворення однієї фізичної величини або одночасно декількох фізичних величин. До складу датчика входять чутливі і перетворювальні елементи. Основними характеристиками електронних датчиків є чутливість і похибка.
Датчики широко використовуються в наукових дослідженнях, випробуваннях, контролі якості, телеметрії, системах автоматизованого управління і в інших сферах діяльності й системах, де потрібне отримання вимірювальної інформації.
Датчики є елементом технічних систем, призначених для вимірювання, сигналізації, регулювання, управління пристроями або процесами. Датчики перетворять контрольовану величину (тиск, температура, витрата, концентрація, частота, швидкість, переміщення, напруга, електричний струм і т.д.) в сигнал (електричний, оптичний, пневматичний), зручний для вимірювання, передачі, перетворення, зберігання та реєстрації інформації про стан об'єкта вимірювань.
Датчики використовуються в багатьох галузях економіки - видобутку та переробки корисних копалин, промисловому виробництві, транспорті, комунікаціях, логістиці, будівництві, сільському господарстві, охороні здоров'я, науці та інших галузях - будучи в даний час невід'ємною частиною технічних пристроїв.
Останнім часом у зв'язку із здешевленням електронних систем все частіше застосовуються датчики зі складною обробкою сигналів, можливостями настроювання і регулювання параметрів і стандартним інтерфейсом системи управління. Є певна тенденція розширювального трактування та перенесення цього терміна на вимірювальні прилади, що з'явилися значно раніше масового використання датчиків, а також за аналогією - на об'єкти іншої природи, наприклад, біологічні.
1 Основна частина
Загальні відомості про ємнісних датчиках тиску.
Ємнісний датчик тиску являє собою електричний конденсатор, у якого одна обкладка виконана у формі нерухомого електрода, інша - у формі рухомого. В якості рухомого електрода зазвичай використовується плоска мембрана, яка під впливом тиску змінює відстань між електродами, а отже, і ємність конденсатора.
"Серцем" датчика тиску є ємнісний осередок. Ємнісний метод заснований на залежності зміни електричної ємності між обкладинками конденсатора та вимірювальної мембрани від тиску підключення. Основними перевагою ємнісного методу є захист від перевантажень (вим. мембрана при перевантаженні лягає на стінки «обкладки» конденсатора,тривалий час не піддаючись деформації, при знятті навантаження, мембрана відновлює вихідну форму, при цьому додаткове калібрування сенсора не потрібно), також забезпечується висока стабільність метрологічних характеристик, зменшення впливу температурної похибки за рахунок малого обсягу заповнює рідини безпосередньо в осередку. Вимірюваний тиск або різниця тисків в такому приладі будуть пропорційні квадрату напруги, що подається на обкладання перетворювача. Прилади з ємнісними датчиками тиску звичайно використовують для вимірювання, вакууму в діапазоні тисків від 0,1 МПа до 0,1 Па. Розглянуті електричні датчики тиску знайшли застосування в наукових дослідженнях в лабораторних умова Існують різні типи ємнісних перетворювачів. Це може бути перетворювач –конденсатор, в якого одна пластина переміщується відносно іншої таким чином, що змінюється віддаль між пластинами. Такі перетворювачі застосовуються, в основному, для вимірювань незначних переміщень (менше 1 мм).
Поняття чутливості служить для кількісної оцінки впливу на вихідний сигнал того чи іншого впливу. Як випливає з розрахункової характеристики вихідний сигнал у залежить не тільки від вхідного сигналу х, але і від ряду параметрів q1, ..., qn, які в свою чергу можуть змінюватися залежно від впливу ряду дестабілізуючих факторів z1, ..., Zк (від зміни температури навколишнього середовища, атмосферного тиску, режимів харчування та ін.) У зв'язку з цим розрізняють наступні види чутливості:
а) чутливість приладу до зміни вхідного сигналу х, яка є основною (корисної) і враховується при виборі параметрів приладу;
б) чутливість приладу до зміни його параметрів q1, ..., qn і дестабілізуючих факторів z1,..., Zк, яка є побічною (шкідливою) і враховується при аналізі похибок. Основний чутливістю приладу або просто чутливістю називають межу відношення приросту вихідного сигналу до збільшенню змінної величини, коли останнє прагне до нуля.
Чутливими елементами ємнісних перетворювачів тиску є мембрани і діафрагми, що перетворюють вимірюваний тиск у переміщення. При цьому вони можуть бути одночасно використані як рухливі електроди. Ємнісні перетворювачі мають звичайно верхню межу перетворюваного тиску 200...800 Па при чутливості 0,5..1,0 пФ/Па та початковій ємності 10...20 пФ. Основна їх похибка становить 1..2%.
Принцип дії датчиків тиску заснований на використанні залежності між вимірюваним тиском і пружною деформацією чутливого елемента. В якості чутливого елемента в датчиках застосовується мембрана з керамічного матеріалу на основі оксиду алюмінію, яка розділяє вимірювальну камеру на два герметичних відсіку. З одного боку до мембрани підведені електроди, які утворюють з нею змінні ємності, включені в плечі вимірювального моста. З цього боку мембрани створюється і підтримується ваку5ТУ1 мірованний обсяг. На іншу сторону мембрани подається вимірюваний тиск, що викликає деформацію мембрани, яка призводить до зміни електричних ємностей і порушує баланс бруківці схеми. Електричний сигнал розбалансу моста, пропорційний вимірюваному тиску, надходить на електронну схему для забезпечення температурної компенсації і перетворення в нормований електричний вихідний сигнал напруги.
Датчики випускаються в трьох модифікаціях, які відрізняються діапазоном вимірювань, значенням напруги живлення постійного струму, габаритними розмірами. Датчики мод. 91 термостатіровани, в них усередині камери підтримується постійна температура 45° С, що дозволяє зменшити додаткову температурну похибку вимірювань. Розглянутий датчик працює таким чином: вимірюється тиск через капіляр у верхній частині корпусу подається в порожнину над мембраною, мембрана прогинається, змінюючи відстань між обкладками конденсатора, що у свою чергу змінює його ємність.
Недоліками зазначеного датчика є недостатня технологічність через складності конструкції і низька чутливість, обумовлена малої площею обкладок конденсатора і відносно великою відстанню між обкладками, що зменшує ємність конденсатора.